Регуляция экспрессии генов у прокариот. Оперон.

У прокариот кольцевидная ДНК, которая кодирует небольшое количество белков (у кишечной палочки более 4000). Для многих генов характерна оперонная регуляция активности.

Оперон – это группа структурных генов, которые кодируют белки-ферменты одного метаболического процесса и работы которых находится под контролем общих регуляторных генов. Опероны позволяют маленькой ДНК кодировать много белков.

Оперон был открыт в 1961 г. французскими учеными Жакобом и Моно. Они открыли лактозный оперон у кишечной палочки. Если кишечную палочку поместить в среду, содержащую лактозу, то она начинает вырабатывать три фермента, участвующих в метаболизме лактозы.

Ферменты кодируют три структурных гена:

• lacZ - галактозидаза – расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу

• Lac Y –фермент пермеаза (обеспечивает поступление лактозы в клетку)

• lacA – трансацетилаза, участвует в удалении из клетки токсичных продуктов расщепления лактозы.

Структурные гены находятся в окружении регуляторных генов:

• Ген-регулятор – кодирует белок-репрессор

• Ген-промотор – место присоединения РНК-полимеразы для начала транскрипции

• Ген-оператор. Если к нему присоединен белок-репрессор, то он блокирует транскрипцию.

• Терминатор – на нем заканчивается транскрипция.

Оперон инактивирован, если белок-репрессор соединен с геном-оператором. Оперон в активном состоянии если в клетку попадает лактоза. Она соединяется с белком-репрессором и инактивирует его. Начинается синтез трех ферментов.

Отличия организации генома и экспрессии генов
у прокариот и эукариот

Регуляция экспрессии гена у эукариот.

В каждой клетке у эукариот экспрессируется 7-10% всех генов. Остальные гены находятся в репрессированном (неактивном) состоянии. У эукариот преобладает так называемый позитивный генетический контроль, при котором основная часть генома репрессирована, и регуляция идет путем активации необходимых генов.

На уровне транскрипции регуляция может идти следующими путями:

• Амплификация (увеличение числа копий) гена;

• Связывание с промотором факторов транскрипции - белков, облегчающих или затрудняющих транскрипцию;

• С помощью регуляторных генов -энхансеров и сайленсеров;

• Влияние гормонов, которые часто служат активаторами транскрипции; например, стероидные гормоны проникают в цитоплазму клетки, соединяются со специальным белком-рецептором, поступаю в ядро и активируют несколько генов.

• Альтернативный сплайсинг – из одной про-иРНК могут вырезаться разные интроны

• Метилирование нуклеотидов ДНК, в основном, в области промотора, богатой ГЦ-парами; это делает невозможным присоединение факторов транскрипции к промотору и выключает ген;

• Ацетилирование белков - гистонов, что уменьшает степень связывания с ними ДНК и облегчает транскрипцию.

Контроль на уровне трансляции

• Идет путем регуляции образования комплекса мРНК — стартовая тРНК— рибосома и изменении времени жизни иРНК за счет различных цитоплазматических факторов.

• С помощью микроцитоплазматических РНК – маленьки РНК, которые соединяются с иРНК и блокируют трансляцию

• Регуляция образования белков возможна и путем изменения быстроты и активности посттрансляционной модификации полипептидной цепи

Репарация ДНК

Репарация ДНК – это исправление ошибок ДНК. Если ошибки остаются, то они могут привести к генным мутациям и генным болезням. Репарация поддерживает генетическую целостность организма и их выживание

1) Фоторепарация у прокариот. Облучение клетки ультрафиолетовыми лучами вызывает образование в ДНК тиминовых димеров. УФ лучи активируют фермент фотореактивации, который связывается с тиминовыми димерами и разрывают их.

2) Эксцизионная репарация у прокариот и эукариот - ферменты-нуклеазы вырезают ошибочное основание или участок поврежденной цепи ДНК, фермент ДНК-полимера 1 типа встраивает нормальные нуклеотиды, ферменты лигазы сшивают фрагменты.

3) Репарация во время репликации – самокоррекция ДНК

4) Пострепликационная репарация – если не удалены ошибочные нуклеотиды во время репликации, то происходит рекомбинация поврежденной цепи с цепью ДНК во второй дочерней молекуле и ошибка устраняется

5) SOS-репарация – при репликации ДНК- полимераза перескакивает место повреждения и продолжает репликацию без разрывов, но последовательность нуклеотидов меняется

Болезни репарации ДНК.

При нарушении репарации ДНК в клетках накапливаются мутации, что со временем приводит: 1) к развитию опухолей, 2) преждевременному старению, 3) наследственным заболеваниям – болезням репарации.

Наследственные болезни, которые обусловлены мутацией генов репарации ДНК, называются болезнями репарации ДНК. Пример - пигментная ксеродерма – генная болезнь с аутосомно-рецессивным типом наследования. У больных нарушена эксцизионная репарация ДНК, которые повреждены УФ лучами и др. мутагенами. Под действием солнечного света на коже появляются веснушки, пигментные пятна, со временем у 100% больных развивается рак кожи